柔性航天器在軌振動(dòng)主動(dòng)控制研究.pdf

1、 采取多種展開(kāi)形式的大型航天器往往具有較強(qiáng)的柔性，對(duì)其在空間工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)需要進(jìn)行抑制以滿足航天器任務(wù)的需求。本文針對(duì)柔性航天器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模、模型修正、非線性姿態(tài)與振動(dòng)控制、魯棒振動(dòng)控制及振動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)策略等方面的研究，旨在為柔性航天器振動(dòng)控制的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。主要研究?jī)?nèi)容如下：
1. 根據(jù)混合坐標(biāo)法和拉格朗日方程推導(dǎo)了柔性航天器的動(dòng)力學(xué)模型，并提出一種附加質(zhì)量法分析薄板在空氣場(chǎng)中的非線性振動(dòng)問(wèn)題

2、。針對(duì)航天器柔性結(jié)構(gòu)在地面實(shí)驗(yàn)中的非線性振動(dòng)問(wèn)題，引入 Green-Lagrange 應(yīng)變修正非線性薄板的一階剪切變形，采用虛功原理建立薄板有限元模型，再通過(guò)速度勢(shì)函數(shù)和格林函數(shù)計(jì)算空氣場(chǎng)加載在薄殼上的壓力獲得附加質(zhì)量，利用附加質(zhì)量對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正。將所獲得的柔性結(jié)構(gòu)地面非線性動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果用于修正柔性航天器模型，從而獲得相對(duì)精確的在軌工作時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。
2. 基于壓電智能材料和模態(tài)控制方法構(gòu)造了三軸穩(wěn)定柔性航天器的姿態(tài)

3、控制和振動(dòng)控制系統(tǒng)。利用頻帶隔離思想，設(shè)計(jì)了柔性結(jié)構(gòu)的正位置反饋（Positive Position Feedback，PPF）振動(dòng)主動(dòng)控制器。建立了壓電智能板的有限元模型，并導(dǎo)出壓電作動(dòng)器的模態(tài)控制力以及結(jié)構(gòu)的模態(tài)位移。考慮到姿態(tài)確定系統(tǒng)、姿態(tài)控制執(zhí)行器及 PPF 控制器，建立了三軸穩(wěn)定柔性航天器姿態(tài)控制與振動(dòng)控制的全數(shù)字仿真模型，通過(guò)算例驗(yàn)證了模型以及控制方法的有效性。
3. 設(shè)計(jì)了抗干擾能力較強(qiáng)的基于狀態(tài)相關(guān) Ric

4、atti 方程（ State-Dependent Riccati Equation，SDRE）的姿態(tài)控制器，并利用自適應(yīng)方法增強(qiáng)了一階PPF控制器的魯棒性。根據(jù)航天器姿態(tài)角與姿態(tài)角速度兩類變量變化速度的不同，將姿態(tài)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分解為內(nèi)、外兩個(gè)控制回路，再將非線性動(dòng)力學(xué)偽線性化，每個(gè)回路設(shè)計(jì)相應(yīng)的積分型SDRE控制器。同時(shí)，研究了一階PPF控制器特性，利用自適應(yīng)思想設(shè)計(jì)了柔性結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)PPF振動(dòng)控制器，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性，并且較好

5、地解決了控制器性能和精度之間的矛盾。通過(guò)算例驗(yàn)證了所提出的姿態(tài)與振動(dòng)控制器的有效性。
4. 基于線性矩陣不等式（Linear Matrix Inequality，LMI）提出了一種非線性系統(tǒng)的魯棒控制方法，并利用所得方法和結(jié)論設(shè)計(jì)了魯棒二階 PPF 控制器。針對(duì)基于模糊T-S模型的輸入受限非線性系統(tǒng)，導(dǎo)出控制性能指標(biāo)的上界，再通過(guò)李雅普諾夫方程給出優(yōu)化的充分條件，證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將穩(wěn)定性約束和控制輸入約束變換成易求解

6、的LMIs形式。利用這一結(jié)論，將LMI方法引入到PPF控制器設(shè)計(jì)中。在帶有 PPF 控制器的閉環(huán)系統(tǒng)中，考慮到柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中不確定項(xiàng)和作動(dòng)器能力的限制，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為具有LMI約束的特征值問(wèn)題進(jìn)行求解，從而得到優(yōu)化后的 PPF 控制律，增強(qiáng)了振動(dòng)控制的魯棒性。通過(guò)算例驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的魯棒PPF控制器的有效性。
5. 面向工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于多重主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ Multiple Active Tuned Mass Dam

7、pers，MATMD）的柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)策略，以增強(qiáng)控制系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)某柔性航天器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了以板簧和慣性質(zhì)量塊組成的多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Multiple Tuned Mass Dampers，MTMD）。利用位移放大系數(shù)優(yōu)化選擇了慣性元件、彈性元件和阻尼元件參數(shù)。將壓電作動(dòng)器引入板簧的主動(dòng)控制中，結(jié)合 PPF 控制方法，推導(dǎo)出基于壓電作動(dòng)器的模態(tài)控制方程。通過(guò)實(shí)例對(duì)比，證明了所設(shè)計(jì)的MATMD振動(dòng)控制策略的優(yōu)越性和可靠性。